KR100886602B1 - 터널자기저항소자 - Google Patents

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Abstract

기존의 우수한 자기특성을 갖는 재료의 화학적 조성을 변화시키지 않고 그 두께만을 변화시켜 스핀 분극도를 증대시킴으로써, 보다 큰 자기저항효과를 획득할 수 있는 터널자기저항소자를 제공할 수 있다.
터널자기저항소자는 하부층 (비자성 또는 반자성 금속막) (1); 하부층 (1) 상에 배치되는 초박형 강자성층 (2); 초박형 강자성층 (2) 상에 배치되는 절연층 (3); 및 절연층 (3) 상에 배치되는 강자성 전극 (4) 을 포함한다.
터널자기저항소자

Description

터널자기저항소자 {TUNNEL MAGNETORESISTANCE ELEMENT}
본 발명은 터널자기저항소자에 관한 것으로, 특히, 출력 신호를 크게 하는 강자성 터널자기저항소자에 관한 것으로, 자기저항효과의 바이어스 전압 의존성을 제어하고, 이 터널자기저항소자의 결정방위를 체심입방격자, 면심입방격자, 또는, 정방격자의 (001)방위로 설정한다.
터널자기저항효과는 2 개의 강자성 금속 전극 사이에 절연체를 포함하는 강자성 터널 접합의 전기저항이 2 개의 강자성 전극의 상대적인 자화 방향에 따라 변화하는 현상이다. 자기저항의 크기는 다음의 식으로 표현된다.
(1) 자기저항효과=[(반평형 R-평형 R)/평형 R]×100 (%)
평형 R 은 2 개의 강자성 전극의 자화 방향이 서로 평행할 때의 전기 저항을 나타내고, 반평형 R 은 자화 방향이 반평형할 때의 전기 저항을 나타낸다. 이 현상은 1995년에 발견되었고 (T. Miyazaki 및 N. Tezuka 의 J. Magn. Mater., Vol. 139 (1995), L231), 현재에는, 하드 디스크 드라이브의 픽업 헤드의 자기 센서 및 강자성 랜덤 액세스 메모리 등의 응용연구가 진행되고 있다. 이 효과를 이용하여 자기 센서 또는 강자성 랜덤 액세스 메모리를 실현하기 위해, 큰 자기저항효과가 필요하고, 한정된 바이어스 전압에서 자기저항효과의 크기를 인위적으로 제어할 수 있는 것이 소망된다.
그러나, 첫 번째, 터널자기저항효과는 전극재료의 스핀 분극 (식 (2) 의 P1 및 P2) 으로 인해 제한되는 문제를 갖는다.
이 관계는 다음의 Julliere 의 식으로 표현된다.
(2) 자기저항효과=[2P1P2/(1-P1P2)]×100 (%)
따라서, 큰 자기저항효과를 획득하기 위해, 스핀 분극도가 큰 재료를 이용해야 한다. 그로 인해, 예를 들면, Fe 와 Co 합금을 준비하여 스핀 분극도를 증기시킨다. 그러나, 그 방법 또한 자기저항효과에 약 70 % 이하로 제공한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 이론적으로 100% 의 스핀 분극도를 갖는 반금속을 이용하는 것도 시도되었다. 그러나, 그 반금속은 화합물로 이루어지기 때문에, 표면이 불안정하다. 실제로 사용하기에 적합한 금속이 발견되지 않았다.
또한, 자기 센서로 이용하기 위한, 재료의 스핀 분극도와 같은 자기적 특성은 최적화되어야 한다. 그러나, 이러한 새로운 재료는 일반적으로 우수한 자기적 특성을 제공하지 못한다.
두 번째, 일반적으로, 터널자기저항효과는 바이어스 전압이 증가함에 따라 단조롭게 감소한다. 바이어스 전압의 증가에 따른 자기저항효과의 감소는, 매그논 (magnon) 확산 또는 양자 확산의 증가로부터 발생되는 본질적인 문제이기 때문에 쉽게 제어할 수 없다. 따라서, 이 시도는 예를 들면, 터널 장벽층을 이중으로 하여 바이어스 전압의 증가에 따른 자기저항효과의 감소를 방지하도록 이루어 졌다.
반면, Moodera 등은 강자성 전극과 배리어층 사이에 다결정 비자성 중간층을 배치시킴으로써 자기저항의 바이어스 전압 의존성을 변화시키는 것을 시도하였다 (Moodera, Phys. Rev. Lett., Vol. 83, 1999, page 3029-3032).
도 1 은 제로 바이어스 및 77 K 에서 Au 중간층의 막 두께에 따른 자기저항효과소자의 접합 자기저항효과 의존성을 나타냄으로써, 가로축은 Au 중간층의 두께 (nm) 를 표시하고, 세로축은 자기저항효과를 표시한다. 도 2 는 동일한 소자의 자기저항효과의 바이어스 전압 (V) 에 대한 의존성을 도시하는데, 가로축은 바이어스 전압 (V) 을 표시하고, 세로축은 자기저항효과를 표시한다.
그러나, 강자성 전극과 배리어층 사이에 다결정 비자성 중간층이 배치되는 전술한 자기저항소자에서, 비자성 중간층이 다결정 재료로 형성되기 때문에, 전자의 확산 자기저항효과는 비자성 중간층의 두께가 증가함에 따라 빠르게 감소된다. 비록, 자기저항효과의 바이어스 전압 의존성을 성공적으로 제어하였더라도, 실용적인 특성이 충분하게 획득되지 못하였다.
따라서, 비자성 중간층의 전자 확산을 감소시킴으로써, 중간층의 두께가 큰 경우에 대해서도 자기저항효과가 심각하게 감소되지 않고, 비자성층 내부의 스핀 분극의 진동을 전기저항효과로 이끌어낼 수 있는 소자의 개발이 소망된다.
세 번째, MgO(001) 단결정으로 형성된 배리어층은 거대한 터널자기저항효과를 생성하는 것으로 발견되었다 (J. Mathon 등의 Physical Review B, volume 63 (2001), page 220403(R)-1-4). 또한, 60 % 이상의 거대한 터널자기저항효과를 실험적으로 획득하였다 (M. Bowen 등, Applied Physics Letters, volume 79, number 11 (2001), page 1655-1657). 이 경우, 단결정 기판은 소자를 형성하는 것이 필요하다. 그러나, 이는 실리콘 LSI 상에서의 소자 형성을 어렵게 함으로써, 아직도 자기 랜덤 액세스 메모리를 실현하는 과제를 해결하지 못하였다.
첫 번째 문제의 관점에서, 본 발명의 첫 번째 목적은, 기존의 자기적 특성이 우수한 재료의 화학적 조성을 변화시키지 않고 두께만을 변화시킴으로써, 스핀 분극을 증가시켜 더 큰 자기저항효과를 생성할 수 있는 터널자기저항소자를 제공하는데 있다.
두 번째 문제의 관점에서, 본 발명의 두 번째 목적은, 비자성 중간층의 전자 확산이 방지되고 비자성 중간층의 존재에 따라 자기저항효과가 감소되지 않는 소자 구조를 개발하고, 비자성 중간층의 두께를 정확하게 조절함으로써 자기저항효과의 바이어스 전압 의존성을 인위적으로 제어할 수 있는 터널 자기저항소자를 제공하는데 있다.
세 번째 문제의 관점에서, 본 발명의 세번째 목적은, 적절한 재료를 발견하여 그 결정이 고배향으로 평탄하게 성장하도록 하는 기술을 개발함으로써, 비정질 또는 다결정 하부층의 구조 및 요철에 의해 영향을 받지 않는 고배향의 평탄화된 중간층을 갖는 터널자기저항소자를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 다음을 제공한다.
[1] 하부층; 하부층 상에 배치되는 초박형 강자성층; 초박형 강자성층 상에 배치되는 절연층; 및 절연층 상에 배치되는 강자성 전극을 포함하는 터널자기저항소자.
[2] [1]에 설명된 터널자기저항소자에서, 초박형 강자성층의 두께는 원자층의 오더 (order) 이다.
[3] [2]에 설명된 터널자기저항소자에서, 초박형 강자성층의 두께는 1 내지 15 원자층의 범위이다.
[4] [1]에 설명된 터널자기저항소자에서, 하부층은 비자성 또는 반강자성 금속막을 포함한다.
[5] [1]에 설명된 터널자기저항소자에서, 하부층은 강자성 교환 결합막 상에 형성되는 비자성 또는 반강자성 금속막이다.
[6] [4]에 설명된 터널자기저항소자에서, 비자성 또는 반강자성 금속막은 Au, Ag, Cu, Cr, V, Nb, Mo, Ta, W, Al, Pt, Ir, Rh, Ru, Pd, Os, 또는, Mn 을 포함한다.
[7] [6]에 설명된 터널자기저항소자에서, 비자성 금속막은 단결정으로 형성되어, 두께 제어성이 향상된다.
[8] [7]에 설명된 터널자기저항소자에서, 비자성 금속막의 결정방위를 입방정계의 (100)±10°, (111)±10°, (110)±10°, (112)±10°의 방위로 설정함으로써, 평탄성이 증가된다.
[9] 터널자기저항소자는 비자성 단결정 금속 또는 비자성 고배향 다결정 중간층이 배리어층과 강자성 전극 사이에 위치하는 구조를 갖는다.
[10] [9]에 설명된 터널자기저항소자에서, 중간층은 Cu, Au, Ag, Cr, 또는, 그 합금을 포함한다.
[11] [9]에 설명된 터널자기저항소자에서, 중간층의 두께를 제어한다.
[12] [9]에 설명된 터널자기저항소자에서, 중간층에 인가되는 바이어스 전압을 제어한다.
[13] [9]에 설명된 터널자기저항소자에서, 비자성 단결정 금속층의 결정방위를 입방정계의 (100)±10°, (111)±10°, (110)±10°, 또는 (112)±10°의 방위로 설정함으로써, 전자 도전성 및 평탄성이 증가된다.
[14] [9]에 설명된 터널자기저항소자는 매트릭스형 자기 랜덤 액세스 메모리의 워드선과 비트선의 교차점에 접속되도록 배치된다.
[15] 터널자기저항소자는 비정질 MgO층과 (001)-고배향 MgO층을 포함하는 이중 하부층을 갖는다.
[16] [15]에 설명된 터널자기저항소자에서, 비정질 MgO층의 두께는 3 내지 10 nm 의 범위로 설정되고, (001)-고배향 MgO층의 두께는 3 내지 10 nm 의 범위로 설정됨으로써, 표면 요철이 감소된다.
[17] [15]에 설명된 터널자기저항소자에서, 하부층을 이용함으로써, 강자성층의 요철이 감소되고, 강자성층 간의 정자기 결합이 감소된다.
[18] [15]에 설명된 터널자기저항소자에서, 하부층을 이용함으로써, 15 원자층 이하의 두께를 갖는 초박형 강자성 전극층의 요철이 감소되고, 자기저항효과가 증가된다.
[19] [15]에 설명된 터널자기저항소자에서, 하부층을 이용하여, 20 원자층 이하의 두께를 갖는 평탄화된 비자성층이 배리어층과 강자성 전극층 사이에 배치됨으로써, 자기저항효과의 바이어스 의존성이 제어된다.
[20] [15]에 설명된 터널자기저항소자에서, 강자성 전극층이 체심입방격자, 면심입방격자, 또는 정방격자의 (001)방위로 배향되도록 하부층을 이용하고, 배리어층으로 (001)-고배향 MgO층을 이용함으로써, 큰 자기저항효과가 획득된다.
[21] [15]에 설명된 터널자기저항소자에서, 하부층과 자기저항소자 사이에, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ir, Pd, Mo, W, Ta, Cr, Ru, Rh, Mn, Fe, Co, 및 Ni 를 조합하여 형성된 (001)-배향층이 배치됨으로써, 평탄성이 향상되고 전극 저항이 감소된다.
도 1 은 종래의 자기저항효과소자의 제로 바이어스 및 77 K 에서의 Au 중간층의 두께에 따른 접합 자기저항효과의 의존성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 종래의 자기저항효과소자의 제로 바이어스 및 77 K 에서의 Au 중간층의 두께에 따른 자기저항효과의 의존성을 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 그룹의 제 1 실시예에 따른 강자성 터널자기저항소자의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 그룹의 제 1 실시예에 따른 강자성 터널자기저항소자의 특성을 나타내는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 그룹의 제 2 실시예에 따른 강자성 터널자기저항소자의 단면도이다.
도 6 는 본 발명의 제 2 그룹에 따른 터널자기저항소자의 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 그룹에 따른 터널자기저항소자의 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 그룹에 따른 터널자기저항소자의 낮은 바이어스 및 실온에서의 자기저항의 Cu층 두께 의존성을 나타내는 도면이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 그룹에 따른 터널자기저항소자의 실온에서의 자기저항의 바이어스 의존성을 나타내는 도면이다.
도 10 은 본 발명의 제 2 그룹의 터널자기저항소자를 이용한 제 1 회로 구성이다.
도 11 은 본 발명의 제 2 그룹의 터널자기저항소자를 이용한 제 2 회로 구성이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 그룹에 따른 평탄화된 터널자기저항소자의 개략도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 그룹에 따른 평탄화된 터널자기저항소자의 단면도이다.
도 14 는 본 발명의 제 3 그룹에 따라, 산화막을 갖는 Si 기판상에 증착된 비정질/(001)-고배향 MgO 복합 하부층 상에 형성되는, 고품질 터널자기저항소자의 X-레이 회절 스펙트럼이다.
도 15 는 본 발명의 제 3 그룹에 따라, 산화막을 갖는 Si 기판상에 증착된 비정질/(001)-고배향 MgO 복합 하부층 상에 형성되는, 고품질 터널자기저항소자의 단면 투과전자현미경 사진 (transmission electron micrograph) 이다.
도 16 은 본 발명의 제 3 그룹에 따라, 산화막을 갖는 Si 기판상에 증착된 비정질/(001)-고배향 MgO 복합 하부층 상에 형성되는, 고품질 터널자기저항소자의 고배율 단면 투과전자현미경 사진이다.
도 17 은 본 발명의 제 3 그룹에 따라, 요철 표면을 갖는 다결정 금속 전기 배선 상에 비정질의 (001)-고배향 MgO 복합 하부층을 갖는 고품질 터널자기저항소자의 단면도이다.
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
[A] 본 발명의 제 1 그룹을 설명한다.
도 3 은 본 발명의 제 1 그룹의 제 1 실시예에 따른 강자성 터널자기저항소자의 단면도이다.
본 도면에서, 참조 번호 1 은 예를 들면 비자성 금속막 또는 반강자성 금속막으로 형성되는 하부층을 나타내고, 참조 번호 2 는 초박형 강자성층을 나타낸다. 초박형 강자성층의 두께는 1 내지 15 원자층의 범위로 설정된다. 참조 번호 3 은 절연층을 나타내고, 참조 번호 4 는 강자성 전극을 나타낸다.
하부층 (1) 과 절연층 (3) 사이에 초박형 강자성층 (2)(두께 : 1 내지 15 원자층) 을 제공함으로써, 강자성층의 스핀 분극이 증가되고, 결과적으로, 큰 자기저항효과가 생성된다. 진공에서 고립된 Fe 원자의 스핀 자기 모멘트는 원자당 약 4 μB (μB : 보어 자자 (Bohr magneton)) 이다. 그러나, Fe 원자가 결정에 주 입되어 체심입방격자를 형성하는 경우, 원자당 스핀 자기 모멘트는 약 2.2 μB 로 감소된다. 이는 고체 중의 인접하는 Fe 원자의 전자와 서로 왕래함으로 인해 각 전자 궤도가 에너지의 폭을 갖기 때문이다.
전자를 Fe층으로 감금함으로써 모멘트를 감소시키기 위해, Fe층 두께를 극단적으로 감소시켜 자기 모멘트를 증가시키는 것은 일반적으로 공지되어 있다.
이 점에 착안하여, 본 발명에서는, 초박형 강자성층 (2) 을 전극으로 이용하여 자기저항효과를 더욱 크게 생성한다. 이 효과를 최대한 획득하기 위해, 초박형 강자성층 (2) 의 두께는 하나의 원자층으로 설정되는 것이 바람직하다. 그러나, 실제로 두께가 하나의 원자층인 경우, 큐리 포인트가 감소하거나 자기 프로세스가 변화한다. 따라서, 초박형 강자성층 (2) 의 두께를 1 내지 15 원자층의 범위로 설정함으로써, 최상의 결과를 획득한다. 바람직하게는, 이 강자성층은, Fe 원자의 전자들 (d 전자) 이 강자성층과 하부층 사이에서 서로 왕래하지 않도록, Au, Ag, Cu, Cr, V, Nb, Mo, Ta, W, Al, Pt, Ir, Rh, Ru, Pd, Os 또는 Mn 등으로 하부층, 즉, 비자성 또는 반강자성 금속층 (1) 상에 형성된다.
하부층은 우수한 재현성을 갖는 초박형 강자성층의 형성 관점에서, 단결정으로 이루어지는 것이 바람직하다.
평탄화된 단결정 표면을 획득하기 위해, 하부층의 결정은 입방구조를 갖고 그 방위가 (100), (111), (110), 또는 (112) 인 것이 바람직하다.
Cr 단결정 표면 상에 매우 얇은 Fe층을 증착하고, Fe층 상에 알루미나 절연 층과 CoFe 상부 전극을 증착하여, 강자성 터널 접합을 형성한다. 터널 접합의 자기저항효과의 Fe층 두께 의존성을 도 4 에 나타낸다.
자기저항효과는, Fe층의 두께를 4 내지 10 원자층으로 함으로써, 실질적으로 종래의 2 배에 근접하여 증가된다.
도 5 는 본 발명의 제 1 그룹의 제 2 실시예에 따른 강자성 터널자기저항소자의 단면도이다.
제 2 실시예에서, 제 1 실시예에 나타낸 비자성 또는 반강자성 금속막 (1) 은 강자성 교환 결합층 (11)(조성은 Fe, Co, Ni 등, 또는 이 금속의 합금 등의 강자성 금속, 및 Pt, Pd, Ir, 및 Ru 등의 다른 금속을 포함한다; 두께는 초박형 강자성층 (2) 의 0.7 내지 1.5 배이다) 상에 형성된 비자성 또는 반강자성 중간층 (12)(조성은 Au, Ag, Cu, Cr, Pt, Pd, Ir, Ru, Rh 등, 또는 그의 합금) 을 포함하는 인공 반강자성 결합층 (13) 과 교체된다. 따라서, 초박형 강자성층 (2) 의 자화는 강자성 교환 결합층 (11) 과 반강자성 교환 결합함으로써 고정된다.
이 구조는 초박형 강자성층 (2) 의 전자 상태에 영향을 주지 않고 그 자화를 고정하는 것을 가능하게 한다.
이 경우, 비자성 또는 반강자성 중간층 (12) 의 두께는 초박형 강자성층 (2) 과 강자성 교환 결합층 (11) 사이에 반강자성적 교환 결합이 이루어지도록 설정된다 (예를 들면, fcc-Ir(100)막을 중간층으로 형성하는 경우, 그 두께는 3 내지 6 원자층의 범위로 설정된다)
[B] 본 발명의 제 2 그룹을 설명한다.
도 6 은 본 발명의 제 2 그룹에 따른 터널자기저항소자의 단면도이다.
본 도면에 나타낸 바와 같이, 강자성 전극 (101) 상에, 비자성 단결정 금속 또는 비자성 고배향 다결정 금속 중간층 (102), 절연층 (103), 및 강자성 전극 (104) 을 순서대로 형성한다. 따라서, 비자성 중간층을 갖는 터널자기저항소자의 비자성층으로서, 비자성 단결정 금속 또는 비자성 고배향 다결정 금속 중간층 (102) 을 제공된다.
중간층 (102) 을 Cu, Au, Ag, Cr 또는 그 금속에 기초한 합금으로 적절한 두께로 형성하는 경우, 보다 큰 자기저항효과를 제공할 수 있다.
또한, 중간층 (102) 에 인가되는 바이어스 전압을 제어함으로써, 자기저항효과의 극성을 반전시킬 수 있다.
또한, 비자성 중간층의 결정 방위를 입방정계의 (100)±10°, (111)±10°, (110)±10°, 또는, (112)±10°의 방위로 설정함으로써, 보다 큰 자기저항효과를 획득할 수 있다.
도 7 은 본 발명의 제 2 그룹의 제 1 실시예에 따른 터널자기저항소자의 단면도이다.
이 소자에서, 예를 들면, MgO(100) 단결정 또는 고배향 다결정 기판 상에 Pt, Co, 및 Cu 버퍼층을 순서대로 증착한 후, 평탄화한다. 도 7 에 나타낸 바와 같이, Co(100) 단결정 전극 (111) 및 Cu(100) 단결정 비자성 중간층 (112) 을 증착하고, 그 후, 알루미나 배리어 (Al-O 배리어)(113) 와 다결정 강자성 상부 전극 (Ni-Fe 다결정)(114) 을 증착한다. 낮은 바이어스 전압에서의 소자의 자기 저항효과는 Cu층 (112) 의 두께에 따라, 도 8 에 나타낸 바와 같이 진동적으로 변화한다. 그 결과는 Cu층 (112) 의 출현이 스핀 분극에 영향을 미친다는 것을 명백하게 나타낸다.
자기저항효과가 1/10 까지 감소되도록 하는 두께는 약 2 nm 이고, 도 1 에 나타낸 Moodera 등의 결과에 따른 종래 데이터에 비해 약 5 배 개선된다.
또한, 자기저항의 바이어스 의존성을 다양한 형식으로 변경할 수 있다. 특히, 두께를 적절하게 설정함으로써, 도 9 에 나타낸 바와 같은 바이어스의 극성에 따라 자기저항의 신호가 반전되는 소자를 제공할 수 있다. 이 경우, 자기저항의 크기는 도 2 에 나타낸 종래의 Moodera 등의 다결정의 경우에 비해 약 10 배 증가된다.
이 기판은 상기 재료 대신 Si 또는 GaAs(100) 단결정으로 형성될 수 있다. 비자성 단결정 또는 고배향 다결정층은 Au, Ag, 또는 Cr(100) 로 형성되는 경우, 기판으로 MgO(100) 또는 GaAs (100) 을 이용한다.
이러한 특성을 이용함으로써, 예를 들면, 높은 안정성을 갖는 자기장 센서를 제공할 수 있다. 자기저항소자의 저항은 온도에 따라 변화한다. 따라서, 일반적으로, 자기저항효과의 측정시, 동일한 특성을 갖는 2 개의 자기저항소자를 이용하여 차동 검출 (differential detection) 을 수행한다. 통상 차동 검출 시에는, 소자들 중 하나에만 측정 자기장을 인가하여, 해당 소자의 저항 변화를 다른 소자의 저항 변화와 비교함으로써 검출한다. 그러나, 이 방법은 장치 회로를 복잡하게 하고, 소자들 중의 변화가 측정시의 에러를 유발하도록 한다.
반면, 도 9 에 나타낸 특성을 갖는 소자에 대해 교류 전압을 인가하는 경우, 자기저항으로부터 기인된 비선형 응답으로 인해 고조파가 발생된다. 고조파의 강도, 신호, 및 위상은 자화의 방향에 의존하고, 이 비선형 응답은 발리스틱 (ballistic) 도전성 콤포넌트에 의존한다. 따라서, 고조파는 온도에 따른 전기 저항의 변화에 상관없이 외부 환경의 변화에 대해 매우 안정적이다. 따라서, 본 발명의 자기저항소자를 이용하는 자기장 센서는 차동 검출 없이도 매우 높은 안정성과 매우 높은 감도로 자기장의 방향을 감지할 수 있다.
본 발명의 제 2 그룹은, 상술한 바와 같이 하부 전극으로 강자성 금속과 비자성 금속으로 형성되는 인공의 단결정 격자를 이용하여, 양자 사이즈 효과, 특히, 스핀 분극 양자 우물 준위와 터널자기저항효과 사이의 관계를 시험하였다. FCC Co(100) 단결정 전극과 비정질 Al-O 터널 배리어층 사이에 비자성 Cu(100)층 (0 내지 32 Å) 을 포함하는 MTJ (magnetic tunnel junction)(도 7 참조) 을 형성한다. 터널자기저항효과의 Cu막 두께 의존성을 측정하여, 그 결과를 도 8 에 나타낸다. 본 도면에서, MR (자기저항) 비는 12.5 Å Cu 두께의 주기에서 감소된 진폭의 진동을 나타낸다. MR 비의 신호가 크게 반전됨에 따라, 더욱 큰 진동이 관찰된다. 이 진동 주기가 Co(100)/Cu(100) 다층막의 층간 결합 주기와 일치하는 것은, 스핀 분극 양자 우물 준위에 의존하기 때문인 것으로 추측된다.
도 10 은 본 발명의 제 2 그룹의 터널자기저항소자를 이용하는 첫번째 회로 구성이다.
본 도면에서, 참조 번호 121 은 워드선을, 122 는 비트선을, 123 은 본 발명의 터널자기저항소자를, 124 는 직류 전력 공급기를, 그리고, 125 는 전류계를 나타낸다.
본 발명의 터널자기저항소자를 이용하여, 매우 간단한 강자성 랜덤 액세스 메모리를 달성 할 수 있다. 공지된 강자성 랜덤 액세스 메모리에는, 레코드에 관련되는 터널자기저항소자를 액세스하기 위해 MOS-FET 를 패스 트랜지스터로 이용해야 한다.
한 쌍의 워드-비트선으로 직류 전압 (V) 을 인가하는 경우, 그 교차점에 있는 터널 소자에 전압이 인가되고, 또한, 근접하는 소자에, 예를 들면, V/3 의 전압이 가해진다. 따라서, 통상의 소자는 근접하는 소자와의 크로스 토크 (cross talk) 문제를 발생시킨다.
반면, 도 9 에 나타낸 특성을 갖는 본 발명의 터널자기저항소자는 바이어스 전압 (V) 에 대해 자기저항효과를 나타내지만, V/3 에 대해서는 자기저항효과를 나타내지 않는다. 동시에, 교차점에서의 소자의 자기 상태는, 다른 소자와의 크로스 토크를 발생하지 않고, 도 10 에 나타낸 간단한 매트릭스로부터 선택적으로 판독될 수 있다.
도 11 은 본 발명의 제 2 그룹의 터널자기저항소자를 이용하는 두번째 회로 구성을 나타낸다. 본 도면에서, 참조 번호 131 은 워드선을, 132 는 비트선을, 133 은 본 발명의 터널자기저항소자를, 134 는 고조파 검출기를, 그리고, 135 는 고 주파수 전력 공급기를 나타낸다.
도 11 에 나타낸 바와 같이, 다른 형식을 적용하여, 2차 고조파에 의해 신호를 선택적으로 판독할 수 있다. 선형 응답에 의해 자기저항을 측정할 때, 자기저항이 바이어스에 의존하지 않는 경우, 목적하는 소자와 다른 소자와 신호 분담율은 1:1/3 이다. 반면, 비선형 2 차 응답에 의한 고조파의 발생 또는 펄스 형상의 변화를 검출할 때, 신호비율은 1:1/9 이고, 따라서, 주변 소자로부터의 크로스 토크가 매우 감소된다. 또한, 바이어스 의존성을 최적으로 설정함으로써, 그 비를 보다 크게 할 수 있다.
상기 실시예에서는 중간층으로서 FCC Cu(100) 단결정을 이용한다. 다른 방법으로, Au, Ag, Cr 또는 이러한 재료에 기초한 합금의 단결정 또는 고배향 다결정을 이용할 수 있다.
[C] 본 발명의 제 3 그룹을 설명한다.
도 12 는 본 발명의 제 3 그룹에 따른 평탄화된 터널자기저항소자의 개략도이다.
본 도면에서, 참조 번호 201 은 기판 (Si LSI, SiO2 등) 을, 204 는 비정질 MgO층 (202) 과 MgO(001) 결정층 (203) 으로 이루어진 이중 하부층을, 그리고, 205 는 고배향된 평탄화 계면을 갖는 자기저항소자를 나타낸다.
다음의 절차에 따라, 평탄화된 터널자기저항소자를 준비한다.
(1) 기판 (Si LSI, SiO2 등)(201) 을 초 순수 (ultrapure water) 로 세정한다.
(2) 스퍼터링 챔버 내에서의 아르곤 역 스퍼터링에 의해, 표면에 흡수된 수 분을 제거한다.
(3) 스퍼터링에 의해 MgO (10 nm) 를 증착한다.
이러한 절차를 통해서만, MgO 는 초기 단계에서 비정질 MgO층 (202) 으로 성장하고, 그 후, MgO(001)-배향의 고배향 결정층 (203) 이 된다. 비정질 MgO층 (202) 의 두께는 3 내지 10 nm 이고, MgO(001) 결정층 (203) 의 두께는 3 내지 10 nm 인 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 비정질 MgO층 (202) 과 MgO(001) 결정층 (203) 으로 이루어진 하부층 (204) 을 포함하는 고배향 평탄화된 강자성 터널자기저항소자를 형성함으로써, 본 발명의 제 1 및 제 2 그룹의 구조는, 단결정 기판 상에만 형성되는 양자 사이즈 효과 특성을 나타내는 평탄화된 터널자기저항소자를 SiO2 등의 비정질 기판 및 다결정 배선 상에 제공될 수 있다.
도 13 은 본 발명의 제 3 그룹에 따른 평탄화된 터널자기저항소자의 단면도이다.
도면에서, 참조 번호 211 은 옥사이드막을 갖는 Si 기판을, 212 는 MgO층 (10 nm) 을, 213 은 Fe(001)층 (20 nm) 을, 214 는 비정질 Al-O층을, 215는 상부전극 (다결정 NiFe) 층을, 그리고, 216 은 Au 캡층을 나타낸다.
이하, 평탄화된 터널자기저항소자를 제조하기 위한 방법을 설명한다.
(1) 옥사이드막을 갖는 Si 웨이퍼 (기판; 211) 를 초 순수로 세정한다.
(2) 스퍼터링 챔버에서 아르곤 역 스퍼터링 클리닝을 통해 표면에 흡수된 수 분을 제거한다.
(3) MgO (212)(10 nm) 를 스퍼터링으로 증착한다.
(4) 웨이퍼를 대기중으로 꺼내어 MBE 챔버로 이송한다.
(5) 웨이퍼를 UHV 중에서 가열하여 표면에 흡수된 수분을 제거한다.
(6) Fe (213) (20 nm) 를 스퍼터링으로 증착한다.
(7) 웨이퍼를 어닐링하여 표면을 평탄화한다.
(8) 기판 온도를 실온으로 하강시킨 후, Al 을 증착 및 자연 산화시켜 Al-O 터널 배리어층 (비정질 Al-O층)(214) 을 형성한다.
(9) 상부 전극 (다결정 Ni-Fe)층 (215), 및 Au 캡층 (216) 을 형성한다.
대기 중으로 노출시킨 후, 전술한 프로세스를 통해 준비된 자기저항소자를 X선 회절 (도 14) 및 단면 투과전자현미경 (transmission electron microscopy) (15 및 도 16) 에 의해 관찰하고, 그리고 나서 장치에서 처리한 후 자기저항효과의 측정 수단에 의해 관찰한다.
도 14 는 본 발명의 제 3 그룹에 따른, 옥사이드막이 성장된 Si 기판 상에 형성된 비정질/(001)-고배향 MgO 복합 하부층 상에 형성된 고품질 터널자기저항소자의 X-선 회절 스펙트럼이다. 본 도면에서, 세로축은 X-선 회절 강도 (cps) 를 나타낸다. 시료 표면에 평행하게 정렬된 결정면이 시료 중에 많이 존재하면 그 결정성은 더 큰 회절강도를 나타낸다. 가로축은 회절 각도 (도) 를 나타낸다. 회절 각도가 결정면들 사이의 간격에 대응하기 때문에, 상이한 결정면은 상이한 회절 각도에서 피크를 형성한다.
도 14 는 MgO 회절선이 (002) 피크만을 형성하기 때문에 우수한 (001)-배향 을 나타낸다. 또한, Fe 회절은 고 강도의 (002) 피크만을 나타낸다. 이는 고품질 결정이 (001)방위로 성장되었다는 것을 보여준다.
회절각을 Fe(002) 피크의 각도로 설정하여, 시료를 회전시키면서 X-선 회절을 측정하였다. 그 결과, Fe층의 원자면은 (001)면으로부터 ±1°의 각도로 정렬되는 것을 알게 되었다. 본 발명의 MgO 이중 하부층을 이용하여, 강자성 전극층의 면배향은 (001)면으로부터 ±1° 각도로 정렬될 수 있다. 또한, Fe층의 표면 요철은 AFM (atomic force microsope) 으로 측정하였다. 그 결과, 요철은 RMS 값 (유효 평균 편차) 이 0.15 nm 이하였다. 따라서, MgO 이중 하부층을 이용함으로써, 강자성 전극층의 표면 요철을 감소시킬 수 있고, 특히, 0.15 nm 이하까지 감소될 수 있었다. 특히, 비정질 MgO층 두께를 3 내지 10 nm 의 범위로 설정하고 고배향 MgO층 두께를 3 내지 10 nm 의 범위로 설정하여 이러한 결과를 생성하였다.
도 15 및 도 16 에 나타낸 단면 투과전자현미경 사진은, MgO층 (212) 의 하부로부터 약 4/10 까지의 부분은 비정질층 (212-1) 이고, 상부로부터 약 6/10 까지의 다른 부분은 (001)-배향된 고배향층 (212-2) 인 것을 도시한다. 또한, 매우 평탄화된 표면을 갖는 Fe층 (213) 이 MgO 상에 형성되었다. 층의 평탄성은 표면 요철에 기인하는 정자기 결합의 히스테리시스 곡선의 변형을 특별한 바이어스 자기장을 이용하지 않고 2 Oe 이하로 감소시켰다. 따라서, MgO 이중 하부층을 이용하여 평탄화된 터널자기저항소자를 형성함으로써, 정자기 결합이 감소될 수 있다.
본 발명의 MgO 이중 하부층상에, 20 nm 의 Cr(001) 버퍼층, 원자층 오더의 작은 두께의 하부 강자성층으로서 제공되는 FeCo 합금 강자성층, 배리어로서 제공되는 비정질 알루미나, 및 하부 전극으로 제공되는 FeCo 다결정 합금이 순서대로 증착되는 구조에서는, 단결정 하부층을 이용하는 경우와 같은 자기저항효과가 증가된다. 특히, 15 원자층 이하의 하부 강자성층 두께는 더 두꺼운 두께의 경우보다 자기저항효과를 2 배 이상으로 증가시켰다. 6 원자층의 두께를 갖는 시료를 열 처리한 결과 실온에서 70 % 보다 큰 자기저항효과가 획득되었다.
따라서, MgO 이중 하부층을 이용하여 15 원자층 이하의 두께를 갖는 평탄화된 강자성 전극층을 형성함으로써, 이전보다 큰 자기저항효과를 실현할 수 있었다.
본 발명의 MgO 이중 하부층 상에, Pt(001) 버퍼층, FCC-Co(001) 버퍼층, 및 Cu(001) 버퍼층이 순서대로 증착되고, 이 버퍼층 상에 Co(001) 하부 강자성 전극, 원자층 정도의 두께를 갖는 비자성 중간층, 비정질 알루미나 배리어, 및 FeCo 상부 강자성 전극을 더 포함하는, 다른 터널자기저항소자를 준비하였다.
그 결과, 단결정 하부층의 경우와 같이, Cu(001) 비자성 중간층의 두께를 20 원자층 이하로 설정함으로써, 터널자기저항효과의 바이어스 의존성을 제어 할 수 있었다. 특히, Cu(001) 비자성 중간층의 두께를 약 3 원자층으로 설정함에 따라, 자기저항소자는 130 mV 의 바이어스 전압에서 자기저항효과를 나타내지 않았지만, 400 mV 의 바이어스 전압에서 130 mV 의 바이어스 전압에서보다 10 배 이상의 효과를 나타냈다. 그 결과, 본 발명의 제 3 그룹의 자기저항효과소자를 강자성 랜덤 액세스 메모리 배선에 x, y 매트릭스형으로 배치함으로써, 패스 트랜지스터가 제공되지 않더라도, 레코딩 셀에 저장된 레코드를 다른 레코딩 셀과 크로스 토크하 지 않고 읽을 수 있다.
따라서, MgO 이중 하부층을 이용하여 강자성 전극층과 배리어층 사이에 평탄화된 비자성 중간층을 20 원자층 이하의 두께로 배치함으로써, 자기저항성의 바이어스 의존성을 제어할 수 있었다.
본 발명의 MgO 이중 하부층 상에 (001)-고배향 하부 강자성 전극층, (001)-고배향 MgO 배리어층, 및 (001)-고배향 상부 강자성 전극층을 포함하는 또 다른 자기저항소자를 준비하였다.
그 결과, 열 처리와 결합시킴으로써 90 % 이상의 더 큰 터널자기저항효과를 획득하였다. 따라서, MgO 이중 하부층 상에 (001)-고배향 MgO 배리어층을 포함하는 터널자기저항소자를 준비함으로써, 보다 큰 자기저항효과를 획득하였다.
도 17 은 본 발명의 제 3 그룹에 따른 요철 표면을 갖는 다결정 금속 전기 배선 상에 비정질의 (001)-고배향 MgO 화합물 하부층을 갖는 고품질 터널자기저항소자의 단면도이다.
도면에서, 참조번호 221 은 하부 전기 배선을, 222 는 MgO 이중 하부층을, 223 은 하부 강자성 전극을, 224 는 배리어층을, 225 는 상부 강자성 전극을, 226 은 전기 절연층을, 그리고, 227 은 상부 전기 배선을 나타낸다.
다결정 금속 배선 상에, 금속 배선과 하부 강자성 전극 간의 전기적 접속을 갖는 본 발명의 MgO 하부층을 갖는 고품질 터널자기저항소자를 제공하는 경우, 도 17 에 나타낸 바와 같이, MgO 하부층 (222) 상에 하부 강자성 전극 (223) 을 형성함으로써 전기적 접속을 보장할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 정신에 따라 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않게 다양한 변형을 가할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 다음의 이점을 제공한다.
[Ⅰ] 첫번째
(A) 원자층의 오더에 따라 터널자기저항소자의 전극의 두께를 정확하게 감소시킴으로써, 큰 자기저항효과를 획득할 수 있다. 특히, 터널자기저항소자의 강자성 금속 전극의 두께를 매우 얇게 설정함으로써, 강자성체의 자화 또는 실질적인 스핀 분극도를 증가시키고, 그 결과, 큰 자기저항효과를 획득할 수 있다.
(B) 단결정의 비자성 금속 하부층을 형성함으로써, 막 두께를 보다 쉽게 제어할 수 있다.
(C) 비자성 금속 하부층의 결정 배향을 입방정계의 (100)±10°, (111)±10°, (110)±10°, 또는 (112)±10°의 방위로 설정함으로써, 평탄성이 향상될 수 있다.
(D) 비자성 금속막 또는 반강자성 금속막의 하부층을 강자성 교환 결합층 상에 형성함으로써, 초박형 강자성층의 전자 상태에 영향을 주지 않고 하부층의 자화를 고정할 수 있다.
[Ⅱ] 두번째
(A) 비자성 중간층의 전자 확산을 방지하는 구조를 갖는 소자를 제공하고, 비자성 중간층의 막두께를 정밀하게 제어함으로써, 자기저항효과의 바이어스 전압 의존성을 인위적으로 제어할 수 있다.
(B) 원자층 오더의 두께를 갖는 초박형 비자성층을 강자성 전극과 배리어층 사이에 배치함으로써, 결과물 자기저항소자의 자기저항효과가 바이어스 전압에 따라 진동적으로 변화할 수 있게 된다.
(C) Cu, Au, Ag, Cr, 또는 이들 금속에 기초하는 합금의 중간층을 최적 두께로 형성함으로써, 자기저항효과를 크게 설정할 수 있다.
(D) 또한, 중간층에 인가되는 바이어스 전압을 제어함으로써, 자기저항효과의 분극을 반전시킬 수 있다.
(E) 비자성 중간층의 결정방위를 입방정계의 (100)±10°, (111)±10°, (110)±10°, 또는 (112)±10°의 방위로 설정함으로써, 더욱 큰 자기저항 효과를 획득할 수 있다.
(F) 다른 소자와의 크로스 토크없이 매트릭스형 자기 랜덤 액세스 메모리의 교차점의 소자의 자기상태를 읽을 수 있다.
(G) 또한, 다른 소자와의 크로스 토크없이 매트릭스형 자기 랜덤 액세스 메모리의 2차 고조파에 의해 선택적으로 신호를 읽을 수 있다.
[Ⅲ] 세번째
(A) 비정질 MgO층과 (001)-고배향 MgO층으로 이루어진 이중 하부층을 형성함으로써, 평탄화된 터널자기저항 소자를 획득할 수 있다.
(B) MgO 하부층의 비정질 MgO층과 (001)-고배향 MgO층의 두께를 3 nm 내지 10 nm 의 범위로 설정함으로써, 특히, 표면 요철을 감소시킬 수 있다.
(C) 하부층 상에 자기저항소자를 제공함으로써, 강자성층의 요철을 작게 하고, 따라서, 강자성층들 사이의 정자기 결합을 작게 할 수 있다.
(D) 하부층 상에, 15 원자층 이하의 두께의 초박형 강자성 전극층을 포함하는 터널자기저항효과소자를 제공함으로써, 그 전극의 요철을 작게 하고, 배향성을 향상시킴으로써, 자기저항효과를 크게 할 수 있다.
(E) 하부층 상에, 배리어층과 강자성 전극층 사이에 형성된 20 원자층 이하의 두께의 평탄화된 비자성층을 갖는 터널자기저항소자를 형성함으로써, 자기저항효과의 바이어스 의존성을 제어할 수 있다.
(F) 하부층 상에, 체심입방격자, 면심입방격자, 또는 정방격자의 (001)방위로 배향된 강자성 전극층을 형성하고, 또한, (001)-고배향 MgO층을 배리어층으로 이용함으로써, 더 큰 자기저항 효과를 획득할 수 있다.
(G) MgO 하부층과 자기저항 소자 사이에 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ir, Pd, Mo, W, Ta, Cr, Ru, Rh, Mn, Fe, Co, 및 Ni 를 결합하여 형성된 (001)-배향층을 배치함으로써, 평탄성을 개선하고 전극 저항을 감소시킬 수 있다.
(H) 비정질 MgO/(001)-고배향 MgO 복합 하부층을 갖는 고배향의 평탄화된 강자성 터널자기저항소자를 형성함으로써, 단결정 기판 상에 형성된 소자의 경우에만 나타났던 양자 사이즈 효과 등의 고성능 특성을 나타낼 수 있는 자기저항 소자를 SiO2 등의 비정질 기판 및 다결정 배선 상에 배치할 수 있다.
본 발명의 터널자기저항소자는 하드 디스트 드라이브의 픽업 헤드의 자기 센서 또는 강자성 랜덤 액세스 메모리에 적절하게 이용된다.

Claims (21)

  1. (a) 하부층;
    (b) 상기 하부층 상에 배치되는 초박형 강자성 단결정층;
    (c) 상기 초박형 강자성 단결정층 상에 배치되는 절연층; 및
    (d) 상기 절연층 상에 배치되는 강자성 전극을 포함하고,
    (e) 상기 초박형 강자성 단결정층의 두께는 원자층의 오더이고, 상기 하부층은 결정방위를 입방정계의 (100)±10°, (111)±10°, (110)±10°, 또는, (112)±10°로 하는 비자성 금속막으로, 상기 비자성 금속막은 단결정으로부터 형성됨으로써, 두께 제어성이 향상되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초박형 강자성 단결정층의 두께는 1 내지 15 원자층의 범위인 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비자성 금속막은 강자성 교환 결합막 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 배리어층과 강자성 전극 사이에 비자성 단결정 금속 또는 비자성 고배향 다결정 중간층이 위치되는 구조를 갖는 터널자기저항소자로서,
    상기 중간층은 Cu, Au, Ag, Cr, 또는 이들을 모재로 하는 합금으로 이루어지고,
    상기 비자성 단결정 금속층의 결정방위를 입방정계의 (100)±10°, (111)±10°, (110)±10°, 또는, (112)±10°의 방위로 설정함으로써, 전자 도전성 및 평탄성이 증가되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 중간층의 두께는 제어되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 중간층에 인가되는 바이어스 전압은 제어되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  13. 삭제
  14. 제 9 항에 있어서,
    터널자기저항소자가 매트릭스형 자기 랜덤 액세스 메모리의 워드선과 비트선의 교차점에 접속되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  15. 비정질 MgO층과 (001)-고배향 MgO층을 포함하는 이중 하부층을 갖고, 상기 비정질 MgO층의 두께를 3 내지 10 nm, 상기 (001)-고배향 MgO층의 두께를 3 내지 10 nm 로 함으로써 표면의 요철을 작게 억제하는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 하부층을 이용함으로써, 강자성층의 요철이 감소되고 상기 강자성층 간의 정자기 결합이 감소되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 하부층을 이용함으로써, 15 원자층 이하의 두께를 갖는 초박형 강자성 전극층의 요철이 감소되고 자기저항효과가 증가되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 하부층을 이용하여, 20 원자층 이하의 두께를 갖는 평탄화된 비자성층이 배리어층과 강자성 전극층 사이에 위치됨으로써, 자기저항효과의 바이어스 의존성이 제어되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  20. 제 15 항에 있어서,
    강자성 전극층이 체심입방격자, 면심입방격자, 또는 정방격자의 (001)방위로 배향되도록 상기 하부층을 이용하고, 배리어층으로서 (001) 고배향 MgO층을 이용함으로써 큰 자기저항효과가 획득되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 하부층과 상기 자기저항소자 사이에, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ir, Pd, Mo, W, Ta, Cr, Ru, Rh, Mn, Fe, Co, 및 Ni 를 조합하여 형성된 (001)-배향층이 배치됨으로써, 평탄성이 향상되고 전극 저항이 감소되는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
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